第四章第一节 InnoDB体系架构
InnoDB引擎架构
后台线程负责刷新内存池中的数据，保证缓冲池中的内存缓存是最近的数据；此外，后台线程还需要将已修改的数据文件刷新到磁盘文件，同时保证在数据库发生异常时能够恢复到正常状态。
后台线程
InnoDB存储引擎为多线程模型，其中Master线程为主线程，负责将缓冲池中的数据异步刷新到磁盘，保证数据的一致性(脏页的刷新，合并插入缓冲，UNDO页的回收等)；IO线程多使用AIO(异步IO)来处理IO请求，这可以极大地提高数据库性能；Purge线程回收已经使用并分配的undo页；Page Cleaner线程专门用来将脏页刷新到磁盘。
内存
InnoDB存储引擎基于磁盘存储，并将数据用页来组织，而由于CPU与磁盘的速度之间的鸿沟，InnoDB存储引擎需要使用缓冲池技术来提高数据库的整体性能。
缓冲池是一块内存区域，在客户端从磁盘中读取数据时，先将数据所在页读到缓冲池，再从缓冲池读取数据；下次读取该页就只需要从缓冲池中读取。因此，在客户端读取数据时先判断该数据所在页是否已在缓冲池中，若在可直接从缓冲池读取。
对磁盘中页的修改(必然已被读入缓冲池)，应首先修改缓冲池中的页，再以一定的频率刷新到磁盘上，刷新的机制称为Checkpoint。
具体地，缓冲池中缓存的数据页类型有：索引页、数据页、UNDO页、插入缓存(Insert buffer)、自适应哈希索引、InnoDB存储的锁信息、数据字典信息等。
InnoDB1.0.x版本开始允许多个缓冲池实例，
页的组织
缓冲池中的页面通常使用LRU算法来管理，当缓冲池不能存放新读取到的页时，会释放LRU列表尾端的页释放。
在InnoDB存储引擎中，缓冲池中页的默认大小为16KB，并做了优化——midpoint：新读取的页并不是直接放在LRU列表的头部，而是放在LRU列表的midpoint位置，midpoint默认为5/8，之所以不将新读取的页放在LRU列表头部，是因为客户端有时会做一些全局或部分的扫描，这些页仅仅在这次查询中会用到，这样反而将之后会经常用到的页移除，将之后不会再用到的页放入。
InnoDB存储引擎引入参数innodb_old_blocks_time表示页读取到mid位置后需要等待多久才会被加入LRU列表的热端，即前midpoint部分。
InnoDB1.0.x版本开始支持压缩页，即将默认的16KB的页压缩为1KB、2KB、4KB与8KB，这些页使用unzip_LRU列表进行管理。unzip_LRU对不同大小的压缩页分别管理，并使用伙伴算法进行内存的分配。
缓冲池中的脏页存放在Flush列表中(也同时存放在LRU列表中)，其中LRU列表用来管理缓冲池中页的可用性，Flush列表用来管理需要刷新回磁盘的页。
重做日志缓冲
InnoDB存储引擎先将日志信息存入该缓冲区中，再按一定频率(每秒)将其刷新到重做日志文件；此外，每个事务提交时会将重做日志缓冲刷新到重做日志文件；当重做日志缓冲区剩余空间小于1/2时，重做日志缓冲也需要刷新到重做日志文件。
额外的内存池
在InnoDB存储引擎中，由堆对内存进行管理，而管理所用到的数据结构的内存就是从这个额外的内存池中分配。因此，在申请大的缓冲池时也应该增大额外的内存池的大小。
Checkpoint技术
客户端对页的操作首先在缓冲池中完成，InnoDB存储引擎需要将该页的新版本刷新回磁盘。若每次页发生变化都将新版本刷新回磁盘，则开销会很大，；同时，如果在刷新时磁盘发生了宕机，数据也会丢失。
当前存储引擎通常采用Write Ahead Log策略，即事务提交时，先写重做日志，在写磁盘中的页。这保证了事务ACID特性中的D性(持久性)。
Checkpoint解决如下问题。
- 缩短数据的恢复时间(在磁盘宕机时，只需要对Checkpoint之后的重做日志进行恢复)；
- 在缓冲池或重做日志不够用时将脏页刷新回磁盘；
重做日志设计为循环使用，如果要使用的部分还没有产生Checkpoint，则必须强制产生Checkpoint，将对应缓冲池中的页刷新回磁盘。
InnoDB存储引擎通过LSN来标记(页、重做日志、Checkpoint)版本，LSN长8字节，单位为字节。
在InnoDB存储引擎中，Checkpoint发生的时间，条件以及脏页的选择都很复杂。其中有两种Checkpoint：Sharp Checkpoint与Fuzzy Checkpoint。在InnoDB存储引擎内部可能发生如下几种情况的Fuzzy Checkpoint。
- Master Thread Checkpoint
- FLUSH_LRU_LIST Checkpoint
- Async/Sync Flush Checkpoint
- Dirty Page too much Checkpoint
Master Thread Checkpoint
在Master线程中，几乎以每秒/每十秒的频率各刷新一定比例的页回磁盘；该过程是异步的，即此时InnoDB存储引擎仍可以进行其他的操作，用户查询线程不会阻塞。
FLUSH_LRU_LIST Checkpoint
InnoDB存储引擎需保证LRU列表中至少有100个空闲页可供使用，若LRU列表中不够100个空闲页，则InnoDB存储引擎会将LRU列表尾部的页移除，而如果其中哪个页也在Flush列表中，就需要进行Checkpoint。
InnoDB1.2.x版本开始，这个检查(LRU列表中是否有100个空闲页)被放在一个单独的Page Cleaner线程中进行，不会再阻塞用户的查询操作。
Async/Sync Flush Checkpoint
在日志文件不可用时，这时需要将一些脏页强制刷新到磁盘；记checkpoint_lsn为缓冲区里面已经刷新回磁盘的最新页的LSN，redo_lsn为日志里面最新页的LSN。定义checkpoint_age=redo_lsn-checkpoint_lsn，即还需要刷新回磁盘里的字节数。
定义async_water_mark=75% total_log_file_size，sync_water_mark=90% total_log_file_size；
- 当checkpoint_age<async_water_mark时，无需刷新脏页到磁盘；
- 当async_water_mark<checkpoint_age<sync_water_mark时触发Async Flush，从Flush列表中刷新足够的脏页使得刷新后的checkpoint_age<async_water_mark；
- checkpoint_age>sync_water_mark一般不会发生；
从InnoDB1.2.x版本开始这个刷新操作单独放在Page Cleaner线程中，不会再阻塞用户的查询操作。
Dirty Page too much Checkpoint
在脏页数量太多时，InnoDB存储引擎会强制进行Checkpoint，从InnoDB1.0.x开始，当脏页占到缓冲池中页面的75%时会触发该操作。